压电超声换能器在无损探伤方面的独特优势

摘要：作为重要的无损检测器件，压电超声换能器已广泛应用于国民经济的各个领域。随着现代工业技术特别是航空航天、核电能源和智能制造等工业技术的发展，各类工矿环境对压电换能器的性能提出了更高的要求，迫切期望压电换能器能在宽温域范围内稳定地监测设备的运转状况，提前预警，避免重要设备的结构性损坏。宽温域响应的压电超声换能器是目前压电器件技术领域的前沿性研究内容，该文重点介绍了能够工作在宽温域范围内的压电超声换能器及其结构，阐述了压电超声换能器在无损探伤方面的独特优势。

0引言

近年来，随着石油化工、核电能源和工业制造等领域的快速发展，对于高温部件的无损检测需求呈现明显的上升趋势。面对各类工矿环境应用需求，人们迫切期望找到先进的无损探伤及检测技术方案，提前预警，避免因高温部件的破坏而带来不必要的经济损失。

宽温域应用的压电超声换能器是目前无损检测较理想的选择。压电超声换能器的研究与电子技术、自动控制技术、计算机技术及新材料等学科发展密切相关。压电超声换能器的结构主要由匹配层、压电层及背衬层组成。其中压电材料的选择决定了该换能器的工作特性及对换能器工作温度范围产生的重要影响。换能器基于压电效应这一基本原理，实现电能和声能的相互转换，广泛应用于无损检测领域。自1880年居里兄弟在石英晶体上首次发现压电效应以来，压电材料及其器件的研究和发展极为迅速。1942年，压电性能优异的BaTiO3压电陶瓷问世，其压电系数是石英晶体的60倍。此后，研究者们发现Pb（Zr，Ti）O3陶瓷也拥有出色的压电性能，随后各种压电单晶、弛豫型压电材料、有机物压电材料及各种复合压电材料相继出现。

近年来，研究人员通过选取性能优异的压电材料，不断优化换能器内部结构设计，研制了各种宽温域响应的高灵敏度压电换能器，这些换能器在外加信号的激励下，利用压电材料的不同振动模态（伸缩振动或剪切振动）在一定距离范围内发射、接收特定模式的超声波（横波、纵波、SH0波、兰姆（Lamb）波等）。在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，利用超声波响应信号的差异对负载设备的表面和内部质量（裂纹、腐蚀等结构缺陷）进行诊断，可有效避免因这些缺陷导致的严重经济损失和设备损坏。目前，已有众多科研工作者通过选取不同性能的压电材料研制出各类压电超声换能器，其服役温度范围不断拓宽，极大拓展了压电超声换能器的工矿应用。本文将对宽温域响应的压电换能器的设计要点及目前开发的几类压电换能器进行介绍。

1压电超声换能器的设计要点

对于无损检测用压电超声换能器，其核心压电材料的选择尤为重要。压电材料既可以将电信号转换成声信号（发射型换能器），向待检测物体发射超声检测波，也能接收从被检测物体反射回的声信号并转换成电信号（接收型换能器），所以压电材料通常要求具有较高的压电常数、机电耦合系数及电阻率（降低声损耗），这是制备高性能压电换能器的前提；此外，对于工作在宽温域范围内的压电换能器，压电材料的选择还需要充分考虑其压电性能的温度稳定性，保证压电常数、机电耦合系数等电学参量随温度变化较小。同时满足上述性能要求的压电材料是设计宽温域应用的压电换能器的理想选择。

通常，待检测负载与压电层的声阻抗均存在一定程度上的失配，因此，选择合适声阻抗值的匹配层在换能器设计方面起到了重要作用。

1）匹配层的选材。常温下，按一定比例均匀混合环氧树脂和金属粉末，可以通过调节该混合物中环氧树脂和金属粉末的比例来获得所需声阻抗，以达到声阻抗匹配效果。

2）工作在宽温域范围内的换能器。通常可以选择高纯氧化铝等材料来设计匹配层，它既能够提供良好的声耦合，又能够对压电层起到一定的保护作用。

3）匹配层的厚度。匹配层的厚度对器件性能也有影响，通常其厚度多选择为1/4声波波长，且满足声阻抗匹配条件Zm=（Z1 × Zt）1/2（其中，Zm为匹配层的声阻抗值，Z1、Zt分别为负载和压电层的声阻抗）。

背衬层是压电振子后方的一个衬垫层，它同样会对换能器的无损检测性能产生一定的影响，想要得到宽频带、窄脉冲、高检测灵敏度的压电换能器，合适阻抗值的背衬层必不可少。在外加信号激励下，压电振子会向前、后两个方向同时辐射声波，通常我们需要的只是来自前方的回波信号，因此，要尽可能地减少来自后方反射波的干扰，此时背衬层就像无限大的吸声介质，令向后辐射的声波能够几乎全部消耗在背衬层中，所以背衬层多选择声衰减系数大的材料，提高检测分辨率。常温条件下，选择环氧树脂与金属粉末的混合物作为声吸收体，如钨、铁、铜等与环氧树脂混合可得到具有高阻抗值的声吸收体，采用木屑、玻璃、软木等与环氧树脂混合也可得到性能优异的背衬材料；在高温应用时，具有一定孔隙率的氧化锆陶瓷也是一种不错的声吸收体。

最后，对于工作在宽温域环境下的压电换能器，随外界工作温度不断升高，其内部键合结构之间会由于热膨胀的差异，产生应力损坏，从而造成压电换能器检测灵敏度下降，因此，在压电换能器不同部分选材方面，应尽可能选择热膨胀系数相匹配的结构材料。

2几种有代表性的压电换能器

2.1石英晶体基压电换能器

石英晶体是最早获得应用的压电晶体材料，其主要化学成分为α-SiO2。石英晶体属于32点群，其物理化学性能稳定，而且室温下具有较高的电阻率（＞1017Ω·ｃｍ），此外石英晶体还具有机械品质因数高，机械损耗和介电损耗极低的特性。1916年，朗之万选取石英晶体为压电材料，制作了超声换能器应用于水下声波发射和声回波接收，成功探测到海底的潜艇行踪。石英晶体虽然具有高熔点（约1750℃），但在573℃左右时会有α-β相变产生，对其器件的应用产生影响。当温度达到350℃时，晶体中会有孪晶产生。这些因素都不利于石英晶体制备的压电器件在宽温域范围内应用。由此可知，用石英晶体研制的各种压电换能器通常工作在不高于350℃的环境中。

2.2锆钛酸铅基压电换能器

锆钛酸铅（PbZrO3-PbTiO3，PZT）压电陶瓷作为传统的压电材料，具有远高于石英晶体的压电常数和机电耦合系数，压电常数d15可达740 pC/N，机电耦合系数ｋ15＝68％。苗鸿臣等基于PZT优异的压电性能，采用标准的压电换能器连接技术，研制了厚度剪切式压电换能器。该压电换能器的中心频率约为210 kHz，且具有较高的检测灵敏度，能够有效产生和接收单模态SH0波，适用于大范围、长距离的工业设备健康监测。

有研究采用PZT的ｘ向压电环片作为换能器的压电层，且在ｘ向环片传统的厚度剪切振动模式基础上进行了改进，提出了一种新型的厚度剪切振动模式。传统厚度剪切模式如图1（ａ）所示，压电片沿长度（L）方向（“3”方向）在面内极化，外界电场沿厚度（t）方向（“1”方向）施加；新型厚度剪切模式如图1（ｂ）所示，压电片沿t方向（“3”方向）在面内极化，外界电场沿L方向（“1”方向）施加，压电环片在新的厚度剪切振动模式下，能够激发产生更稳定的检测信号。在上述改进的厚度剪切振动模式基础上，研究人员提出了一种压电圆环模型，圆环被分成12个扇区，每个扇区沿厚度方向极化，为了满足施加电场时电位的要求，相邻扇区极化方向相反，电场沿圆环周向施加，简易模型结构如图2所示。然后通过标准的压电换能器连接技术，将下述部件封装形成换能器实体。图中，W为宽度。

图2 压电圆环模型结构示意图

除上述厚度剪切型换能器外，对于PZT压电晶体的厚度伸缩振动模式也进行了大量研究，制备了基于厚度伸缩模式的高灵敏度压电换能器，其内部结构如图3（ａ）所示，前端匹配层采用合适厚度的Al2O3，以用来减小负载与压电材料间声阻抗失配度，并保护压电材料免受外界的损坏；背衬层多采用环氧树脂与金属粉末的混合物，将一定比例的环氧树脂与钨粉混合，经室温固化，得到高阻抗背衬层，起到吸收多余反射声波的作用；不同部分之间通过环氧树脂进行粘结，最后封装在不锈钢外壳内，不锈钢外壳可以减少测试过程中周围电磁波的电噪声干扰，最终得到标准的压电换能器（见图3（ｂ））。

图3 压电换能器内部结构及标准压电换能器

由于PZT材料在使用过程中，其压电性能在稍高温度下会发生老化而迅速退化，所以其使用温度远低于居里点TC（为160 ～350℃），这也就限制了PZT材料在更高温度环境下的应用，因此，PZT型压电换能器只能在低于160℃的环境下工作。

2.3铌酸锂晶体基压电换能器

铌酸锂（LiNbO3，LN）晶体是一种多功能晶体材料，属于3 m点群，压电性能优异，d15 = 75 pC/N，d33 = 21 PC/N。LN晶体用提拉法生长，是目前开发和应用较多的压电晶体之一。该晶体居里温度高（约1150℃），虽然晶体有较高的居里温度，但当环境温度达到600 ℃时，晶体会发生氧损耗，导致晶体的高温电阻率显著下降，影响制备器件的稳定性。另外，随温度不断升高，LN晶体自身还会发生不同程度的化学分解（Li不稳定），这些因素都将限制该晶体在更高温度下（＞600℃）的传感应用。

Mohimi等利用LN晶体厚度剪切振动模式（d15模式），设计并制作了高性能超声导波换能器，用于检测和监控发电厂过热蒸汽管道的结构缺陷。研究人员通过切割特定尺寸的X切LN晶片，采用高温连接技术，将LN晶片与氧化铝背衬层结合，制备出LN基压电换能器原型器件。通过实验方式验证了LN基原型换能器在宽温域范围内的工作特性。通过耐高温钢夹将LN基原型换能器干耦合到位于一高温炉膛内的钢棒下部，作为超声发射器，选取PZT基换能器置于钢棒的另一端，作为超声接收装置，用于测试LN基原型换能器的超声发射性能；然后再将LN基原型换能器作为超声接收器，接入特定的高温信号发射装置，进一步测试LN基原型换能器的超声接收性能。基本装置示意图如图4所示。

图4 LN基压电换能器高温性能测试装置

研究人员通过不断改变高温炉内的温度，验证了LN基压电换能器在不同温度下接收和发射超声波信号的能力。分别选取室温和600℃时的实验结果，绘制了时域分析曲线（见图5）。由图可知，该压电换能器在室温～600℃时具有良好的发射和接收超声波信号的性能，只不过在高温时超声信号幅值有少许下降，这可能与晶体的物理化学性质变化有关。

图5 LN基压电换能器在室温和600℃下接收和发射信号的幅值

除厚度剪切振动模式外，Atsushi Baba等基于LN晶体的厚度伸缩振动模式（d33模式）也展开了深入研究，探讨其高温服役特性。通过获取LN晶体的Z向切片，经磁控溅射技术喷涂厚为200 nm的Au电极，随后选择与LN晶体热扩散系数相近的奥氏体不锈钢作为负载测试基片，将LN晶体与奥氏体不锈钢先通过高温陶瓷胶粘结，然后用高温银导电膏将外部高温矿物绝缘（MI）电缆连接在电极上，实现与外部设备的导通，最后把该原型换能器和负载一同放入高温电炉内，通过热电偶测温并实施温控。测试实验装置如图6所示。通过该装置可测试压电换能器的高温服役性能。

图6 LN基压电换能器高温性能测试装置

研究人员通过分析不同温度下的脉冲回波信号得出，该LN基压电换能器在室温到1000℃时能够稳定地接收到来自负载的脉冲回波信号，且具有较高的接收灵敏度。特别注意到，本文未发现LN晶体在600℃时因为氧损失或高温的电阻变化对脉冲回波测试产生的影响，据此推测可能与晶体材料的品质提升有关。研究表明，LN单晶在高温压电换能器设计及应用中具有一定的优势。

2.4磷酸镓晶体基压电换能器

磷酸镓（GaPO4）晶体是一种高温性能稳定的压电材料，最先采用水热法制备的GaPO4晶体和石英晶体结构相同，属于32点群，因而很多特性和石英相似，其d33 = 5pC/N。GaPO4晶体具有高的电阻率和机械品质因数（Qm），室温下Qm可达10000，在α-β相转变点970℃以下压电性能稳定。但该晶体采用水热法生长，晶体内部会有部分游离态的OH-集团，该集团的存在将影响晶体内部的极化率，对晶体的器件应用会产生一定影响。

利用GaPO4晶体，Mostan等开发了室温至600℃的压电换能器。选取特定方向的GaPO4晶片，在晶片表面镀上100 nm的铂金电极，通过Duralco124银胶将GaPO4晶片粘结到有人工缺陷（直径#0.8 mm的侧钻孔）的负载钢板上，钢板高为25 mm，人工缺陷在距离钢板顶部12.5 mm处，如图7（ａ）所示。之后，通过纯镍玻璃编织布线将该原型换能器和脉冲信号激发设备连接，实验装置如图7（ｂ）所示。最后，将连接好设备中的GaPO4基压电换能器放入高温炉内，测试器件在宽温域范围内对外界超声波信号的接收能力，实验装置如图7（ｃ）所示。

图7 压电换能器与负载钢板、外部设备的连接装置及GaPO4基压电换能器高温性能测试装置

通常，外加脉冲激发信号的频率决定被测材料中产生的超声波波长，波长越小则更易检测到材料内部的微小缺陷。研究结果显示，当外加信号频率为3.5MHz时，利用GaPO4基压电换能器便足以检测到直径为#0.8 mm的人工缺陷小孔；另外，通过计算从钢板底部和人工缺陷处反射回的超声波信号的信噪比（SNR），验证得到了该压电换能器的高温检测性能，结果如图8所示。由图可知，在室温到600℃时，GaPO4基压电换能器的接收性能稳定，具有较高的接收灵敏度，信噪比＞6 dB，满足实际无损检测技术在宽温域工作范围内的需求。以上实验研究结果表明，GaPO4基压电换能器在无损检测领域具有潜在应用价值。

图8 室温至600℃时，GaPO4基压电换能器信噪比数值变化示意图

2.5氮化铝晶体基压电换能器

氮化铝（AIN）晶体为六方纤锌矿结构，具有较高的居里温度（约2000℃），在达到居里温度前，该晶体无任何相变发生。AIN晶体属于6 mm点群，不对称的晶体结构使AIN显现出较优越的压电性能。据报道，AIN晶体的d33 = 5.6 pC/N，d14 = 9.7pC/N。另外，该晶体具有优异的电阻特性，在1000℃时电阻率约为5 × 1010Ω·cm，这些优势使AIN晶体在高温压电技术领域有着重要应用。

Taeyang Kim等利用AIN晶体研制了接收型压电换能器，器件的信噪比＞20 dB，且在800℃下依然保持较高的工作灵敏度和稳定性。研究人员用一种抗高温耐腐蚀的夹持装置将AIN晶片和氧化铝绝缘板夹紧固定在厚300 μｍ的不锈钢钢板上，并将它们一起放置于高温炉中。钢板的另一端采用Nd:YAG激光器照射（激光光源的波长为532 nm，脉冲持续时间为6 ns，脉冲重复频率为10 Hz，激光束直径约为#10 mm），当厚为300 μｍ的不锈钢板表面被高功率脉冲激光垂直照射时，会在表面的微小区域内形成一个温度梯度，该温度梯度会在照明区域引发产生有规律的弹性膨胀和弹性压缩，基于这些弹性应变，该微小区域将转变为超声波波源，产生Lamb波，并且以弹性波的形式在钢板中传播。实验过程中通过不断改变高温炉的温度，测试AIN基压电换能器件在宽温域范围内的接收性能。实验测试装置如图9所示。

图9 AIN基压电换能器接收性能测试装置

研究人员首先验证Nd:YAG激光器在室温下产生Lamb波的长距离传播能力，通过改变Lamb波波源和AIN基压电换能器的间距进行验证。结果表明，在10 ～ 20 cm时，激光器产生的Lamb波具有良好的传播特性。为进一步检测AIN基压电换能器在高温时对声波信号的接收特性，通过改变高温炉内的温度，得到的实验结果如图10所示，即AIN基压电换能器接收到S0波（Lamb波中的对称波）的标准化幅值和对应S0波的信噪比。由图可知，在室温～800℃时，随着温度的升高，AIN基压电换能器接收到的信号幅值和信噪比逐渐减小，这可能与AIN单晶的表面在700 ～ 800℃时发生氧化有关，表面态的变化导致电子能量损失和耗散，影响信号强度。另外，据文献报道，接收信号的减弱与压电换能器和实验夹具间热膨胀系数有关，这些因素都导致接收信号的减弱，不过在800℃左右时，AIN基压电换能器信噪比仍大于20 dB，表明该器件在宽温域范围内具备良好的工作能力，是宽温域无损探伤应用的优良选择。

图10 S0波的标准化振幅和对应S0波的信噪比

2.6稀土钙氧硼酸盐晶体基压电换能器

稀土钙氧硼酸盐晶体（RECa4O（BO3），RECOB，其中RE表示Y和稀土元素）主要包括YCOB、Gd-COB和LaCOB等，属于m点群。RECOB晶体通常采用提拉法生长，易获得大尺寸优质单晶。其中，YCOB晶体具有高的熔点（约1510℃），在800℃时电阻率约为108 Ω·cm，另外其压电常数较大，d26 = 8 pC/N，这些性能都表明YCOB晶体在高温压电领域具有一定的潜在应用优势。

2014年，Joseph A.Johnson等基于YCOB晶体优异的高温压电性能，根据其厚度剪切振动模式（d26模式），采用YXt-30°切型制备了压电元件，并试制了能工作在高温环境下的接收型压电换能器。

研究人员采用镍－铬－铁基固溶强化合金作为压电晶片电极，用耐高温的夹持装置将镀有电极的YCOB晶片固定在309不锈钢上，为防止信号干扰，在上电极与夹持装置间增加氧化铝隔板。原型换能器与负载连接装置如图11（ａ）所示。按照Hsu-Nielsen实验设计原则，连接装置如图11（ｂ）所示。将上述原型换能器和负载置于高温炉内，以测试压电换能器在高温时的声波接收性能。利用图11（ｂ）中超声波波源产生超声检测波，同时位于高温炉内的YCOB基压电换能器接收信号，最后经外部设备进行信号分析。

图11 YCOB基压电换能器与负载连接装置及高温接收性能测试装置

研究结果证明，无论是在30 ～ 120 kHz时的零阶Lamb波还是240 kHz的一阶反对称波，高温炉内的YCOB基压电换能器都可以检测到声波信号，且在室温～1000℃时均具有优异的接收特性。这些实验结果表明，YCOB基压电换能器具有较好的宽温域工作特性，可以在1000℃下正常工作，具有良好的应用前景。

表１为各类压电材料及其制备的压电换能器件的性能特点。与铅基压电材料相比，非铅非铁电性压电晶体（如AIN和RECOB等）具有更高的熔点及优良的压电性能温度稳定性。利用该类压电晶体研制的压电超声换能器在宽温域无损探伤应用方面优势更明显。当然，压电换能器的设计和推广应用，还需要考虑压电材料的制备难度问题，性能优异且成本相对低的压电材料是实现商业化推广应用的首选。

表1 几种压电材料的基本性能参数及其制备的压电换能器的耐温特性

3结束语

本文总结了近年来在宽温域范围内工作的压电超声换能器及其制备方法和性能。利用AIN和RECOB晶体研制的压电换能器具有比其他压电换能器更优异的高温服役特性，能够在宽温域范围内正常工作。考虑到RECOB系晶体能够采用提拉法生长并获得优质大尺寸单晶，因此，该晶体在宽温域压电换能器研发与应用方面更具优势，具有广阔的应用前景。同时，随着工业技术的发展，健康监测用特种压电换能器的工作环境通常伴随有辐照、腐蚀、低氧分压等严苛条件及其组合，这对宽温域压电超声换能器提出了更高的要求。因此，开发综合性能优异的压电晶体材料，研制耐严苛环境的压电换能器件将是今后工作的重点和难点。

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